本文關(guān)鍵詞：基于連續(xù)太赫茲波檢測人體呼吸運動的研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：太赫茲波是頻率在0.1~10 THz的電磁波,其頻段在電磁波譜上的位置處于微波與紅外線之間。從理論物理學(xué)角度看,是從電子學(xué)到光學(xué)的過渡區(qū)域,因此具有很多特性,如光子能量低、對生物組織無損傷、可穿透大多數(shù)非極性和非金屬材料、對生物大分子具有特征譜等。這些特性使太赫茲科學(xué)技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用具良好的前景,目前,已經(jīng)在生物效應(yīng)、光譜分析、醫(yī)學(xué)成像等方面取得了一定的研究成果。但太赫茲波在人體生理信號檢測方面的研究尚未見報道,太赫茲波能否用于非接觸檢測人體生理信號及相關(guān)生理參數(shù)還有待探索和研究。人體各種生理活動所引起的體表微動,包含著豐富的生理信息,檢測到這些微動并進行分析,有助于臨床疾病診斷、健康監(jiān)測等�，F(xiàn)有研究表明,人體體表微動不僅包含人體生理信號的頻率信息,還能夠獲取定量的人體生理參數(shù),因此,人體體表微動的定量檢測具有實際的臨床意義。目前,人體體表微動檢測的主要方法是接觸式檢測,這種方法對結(jié)果的客觀性有干擾。相較而言,非接觸檢測具有良好優(yōu)勢,主要采用光學(xué)技術(shù)和生物雷達技術(shù),但前者難以穿透衣物、被褥等,應(yīng)用不便,而后者難以檢測到人體體表微動的定量信息。針對上述問題,本課題擬對連續(xù)太赫茲波非接觸檢測生理參數(shù)進行基礎(chǔ)研究,以人體呼吸運動為切入點,探索太赫茲波能否、如何檢測人體體表微動的定量信息,建立基于連續(xù)太赫茲波檢測人體體表微動位移及呼吸運動的理論方法。完成的主要工作包括:(1)研究了連續(xù)太赫茲波檢測人體體表微動的基本原理,建立了數(shù)學(xué)模型,提出了一套完整的基于連續(xù)太赫茲波檢測人體體表微動位移信息、進而獲取人體呼吸信號的理論方法。(2)從理論和實驗兩方面研究了遠場太赫茲波束在橫向范圍的強度分布情況。利用二維逐點掃描成像技術(shù)開展實驗,并從理論上解釋了實驗結(jié)果,為連續(xù)太赫茲波檢測人體體表微動的位移信息及其數(shù)學(xué)模型的建立提供了理論依據(jù)。(3)設(shè)計和搭建了雙側(cè)、單側(cè)部署兩種形式的太赫茲檢測系統(tǒng),從硬件上實現(xiàn)了人體體表微動位移信息、人體呼吸信號的非接觸檢測,并總結(jié)和提出了系統(tǒng)搭建和調(diào)校的基本方法和具體步驟。在軟件方面,利用USB數(shù)據(jù)采集接口開發(fā)了基于Lab VIEW平臺的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),實現(xiàn)了連續(xù)太赫茲波檢測人體體表微動及呼吸信號的實時采集、顯示與記錄。(4)針對太赫茲波束的校準難題,根據(jù)遠場太赫茲波束在橫向范圍內(nèi)強度分布情況的研究結(jié)論,提出了一種遠場太赫茲波束的校準方法,確保了數(shù)學(xué)模型的有效性,提高了太赫茲檢測系統(tǒng)的準確性與可靠性。(5)設(shè)計了一種適用于太赫茲檢測系統(tǒng)的高精度人體體表微動仿真模型。并利用該模型開展了仿真實驗,通過對太赫茲檢測系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)與仿真模型工作數(shù)據(jù)的同步比較及處理分析。驗證了連續(xù)太赫茲波檢測微動目標(biāo)位移信息的可行性以及數(shù)學(xué)模型的有效性,對太赫茲檢測系統(tǒng)的準確性和頻率響應(yīng)進行了較為全面的性能評價。(6)開展了人體目標(biāo)的檢測實驗。采用呼吸綁帶傳感器及Power Lab數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為參照工具,進行了同步對比實驗。通過對兩種方法檢測結(jié)果在時域上的一致性分析以及在頻域上的準確性分析,驗證了連續(xù)太赫茲波檢測人體目標(biāo)體表微動位移及呼吸信號的可行性及有效性。并根據(jù)實驗結(jié)果,在理論上推導(dǎo)了人體體表微動位移與胸廓周長變化的關(guān)系。此外,對人體目標(biāo)不同測試體位、不同呼吸狀態(tài)下太赫茲檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和適用性進行了實驗研究。通過上述工作的開展,本研究取得了以下主要結(jié)果和結(jié)論:(1)提出了利用連續(xù)太赫茲波檢測人體體表微動及呼吸運動的方法,建立了獲取人體體表微動位移的數(shù)學(xué)模型,并通過硬件設(shè)計和軟件開發(fā)實現(xiàn)了完整的太赫茲檢測系統(tǒng),對系統(tǒng)搭建調(diào)校地基本方法和具體步驟進行了詳細的總結(jié)與歸納。(2)通過成像實驗與理論推導(dǎo),證明了遠場太赫茲波束在橫向范圍內(nèi)的強度分布是基本均一的,可以近似為分布均勻的平面波。(3)提出了一種遠場太赫茲波束校準的新方法,該方法能夠確保太赫茲檢測系統(tǒng)對數(shù)學(xué)模型的有效性,提高了太赫茲檢測系統(tǒng)的準確性。(4)設(shè)計開發(fā)了一種適用于本研究的人體體表微動仿真模型。該模型利用自制水模與線性導(dǎo)軌,仿真原理與太赫茲波檢測人體體表微動的方法一致,且具有高精度、參數(shù)可控等特點。(5)仿真實驗結(jié)果證明,利用連續(xù)太赫茲波能夠準確檢測微動目標(biāo)的位移信息和頻率信息。在人體體表微動的典型位移范圍和人體呼吸運動的典型頻率范圍內(nèi),系統(tǒng)檢測結(jié)果準確可靠。(6)人體目標(biāo)實驗結(jié)果證明,利用連續(xù)太赫茲波檢測人體體表微動及呼吸運動的方法對于實際人體目標(biāo)而言是可行和有效的。對于不同頻率和幅度的呼吸運動,本方法均能準確檢測人體體表微動的位移信息,并獲得包含準確頻率信息的人體呼吸信號。此外,背靠位及仰臥位均能有效降低和抑制體動對檢測結(jié)果的影響,是太赫茲檢測系統(tǒng)的優(yōu)先測試體位。(7)呼吸過程中人體胸部體表的微動位移變化(Δx)與胸廓周長變化(ΔL)近似線性相關(guān)。理論推導(dǎo)其線性關(guān)系為:?L??2??4??x。本研究的主要創(chuàng)新點有:(1)首次成功利用連續(xù)太赫茲波檢測到了人體體表微動的位移信息,提出了基于連續(xù)太赫茲波檢測人體體表微動位移和呼吸運動的理論方法,建立了數(shù)學(xué)模型,設(shè)計搭建了完整的太赫茲檢測系統(tǒng),并通過仿真實驗和人體目標(biāo)實驗驗證了方法的可行性與有效性,評估了太赫茲檢測系統(tǒng)的性能。對太赫茲波在非接觸生理參數(shù)檢測方面的應(yīng)用進行了探索性的基礎(chǔ)研究。(2)研究了遠場太赫茲波束在橫向范圍內(nèi)的強度分布情況。從實驗和理論兩方面證明了遠場太赫茲波束在橫向范圍內(nèi)強度分布基本均一、能夠近似為強度分布均勻的平面波,為本課題中建立連續(xù)太赫茲波檢測人體體表微動位移的數(shù)學(xué)模型奠定了理論基礎(chǔ),也為遠場太赫茲波束的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。(3)提出了一種遠場太赫茲波束的校準方法。該方法根據(jù)遠場太赫茲波束在橫向范圍內(nèi)強度分布近似均一這一研究結(jié)論,將原本作為強度中心的主光軸校準問題轉(zhuǎn)變?yōu)閹缀沃行牡墓馐蕟栴},利用對稱性原理,實現(xiàn)了遠場太赫茲波束的校準,確保了數(shù)學(xué)模型在硬件平臺上的實現(xiàn),提高了太赫茲波檢測人體體表微動位移的準確性�；谶B續(xù)太赫茲波檢測人體體表微動位移及呼吸運動的方法對人體組織無損傷,屬于非接觸式檢測方法,并且能夠獲取體表微動的位移信息,還可以穿透衣物、被褥、敷料等,兼顧了穿透性與定量檢測,克服了現(xiàn)有檢測技術(shù)和方法的一些不足,具有一定的優(yōu)勢。此外,本方法無需復(fù)雜算法處理及時間累積就能夠獲得人體體表微動的位移信息及呼吸信號,具有高度實時性。論文從理論和實驗角度對連續(xù)太赫茲波檢測人體表微動位移信息及呼吸運動的理論方法進行了系統(tǒng)研究和論述,對太赫茲技術(shù)在非接觸生理參數(shù)檢測領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的理論價值。與此同時,本文提出的方法作為一種新的檢測技術(shù)手段,在臨床非接觸檢測人體生理參數(shù)、精確放療中實時追蹤腫瘤運動以及醫(yī)學(xué)影像中去除呼吸運動偽影方面都具有一定的應(yīng)用前景。
【關(guān)鍵詞】：太赫茲波 呼吸運動 生理參數(shù)檢測 非接觸 微動 位移
【學(xué)位授予單位】：第四軍醫(yī)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：R443.6;O441.4
【目錄】：

• 縮略語表6-8
• 中文摘要8-12
• 英文摘要12-18
• 前言18-20
• 文獻回顧20-33
• 1 太赫茲技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究20-23
• 2 人體呼吸運動及體表微動的數(shù)學(xué)模型研究23-26
• 3 人體呼吸運動及體表微動檢測方法的研究26-31
• 4 文獻總結(jié)31-33
• 第一部分 基本原理與數(shù)學(xué)模型33-54
• 1 太赫茲波的主要特性33-34
• 2 太赫茲波的相關(guān)理論34-38
• 2.1 太赫茲波在物質(zhì)中的傳播34-35
• 2.2 太赫茲波的反射和透射35-37
• 2.3 太赫茲波在自由空間中的準光傳播37-38
• 3 太赫茲系統(tǒng)的主要裝置38-43
• 3.1 太赫茲波源38-39
• 3.2 太赫茲波探測器39-41
• 3.3 光學(xué)斬波器41
• 3.4 鎖相放大器41
• 3.5 聚乙烯透鏡41-42
• 3.6 線柵偏振器42-43
• 4 太赫茲波檢測人體體表微動的基本原理43-45
• 5 遠場太赫茲波束在橫向范圍的強度分布研究45-49
• 5.1 遠場太赫茲波束在橫向范圍強度分布的實驗研究46-47
• 5.2 遠場太赫茲波束在橫向范圍強度分布的理論研究47-49
• 6 太赫茲波檢測人體呼吸運動及體表微動位移的數(shù)學(xué)模型研究49-51
• 7 數(shù)學(xué)模型分析51-53
• 8 本章小結(jié)53-54
• 第二部分：太赫茲檢測系統(tǒng)的設(shè)計與搭建54-68
• 1 太赫茲檢測系統(tǒng)的設(shè)計54-57
• 1.1 雙側(cè)部署的設(shè)計方案54-55
• 1.2 單側(cè)部署的設(shè)計方案55-57
• 2 系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的控制57-59
• 2.1 參考功率P_(ref)的控制57-58
• 2.2 波束橫截面半徑r的控制58-59
• 3 基于Lab VIEW的實時數(shù)據(jù)采集軟件開發(fā)59-60
• 4 太赫茲檢測系統(tǒng)的搭建與調(diào)校60-64
• 4.1 系統(tǒng)搭建與調(diào)校的基本思路60-61
• 4.2 系統(tǒng)搭建與調(diào)校的具體步驟61-64
• 5 遠場太赫茲波束的校準研究64-66
• 6 本章小結(jié)66-68
• 第三部分：太赫茲波檢測系統(tǒng)的仿真實驗研究68-81
• 1 人體體表微動仿真模型的設(shè)計68-70
• 1.1 水模設(shè)計與制作68-69
• 1.2 線性導(dǎo)軌69-70
• 2 系統(tǒng)準確性評估實驗70-76
• 2.1 實驗方法70-73
• 2.2 實驗結(jié)果73-74
• 2.3 討論74-76
• 3 系統(tǒng)頻率響應(yīng)評估實驗76-79
• 3.1 實驗方法76-77
• 3.2 實驗結(jié)果77-79
• 3.3 討論79
• 4 本章小結(jié)79-81
• 第四部分：太赫茲檢測系統(tǒng)的人體目標(biāo)實驗研究81-95
• 1 太赫茲波檢測人體目標(biāo)呼吸運動的同步對比實驗81-87
• 1.1 實驗設(shè)計81-84
• 1.2 實驗結(jié)果84-85
• 1.3 討論85-87
• 2 不同測試體位下的人體目標(biāo)檢測實驗87-91
• 2.1 實驗設(shè)計87-89
• 2.2 實驗結(jié)果89-90
• 2.3 討論90-91
• 3 不同呼吸狀態(tài)下的人體目標(biāo)檢測實驗91-94
• 3.1 實驗設(shè)計91-92
• 3.2 實驗結(jié)果92-93
• 3.3 討論93-94
• 4 本章小結(jié)94-95
• 小結(jié)95-97
• 參考文獻97-106
• 個人簡歷和研究成果106-107
• 致謝107-108

  本文關(guān)鍵詞：基于連續(xù)太赫茲波檢測人體呼吸運動的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：305090